UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS QUÍMICOS LABORATÓRIO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS
GEORGES ROGER ROUSSELET
ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL – ESTUDO
DE CASO
Tese de Doutorado apresentada ao Curso de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Química, da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Química.
Orientador: Prof. Dr. Flávio Vasconcelos da Silva
CAMPINAS / SP/ BRASIL Junho – 2011
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
R763a
Rousselet, Georges Roger
Análise da evolução do sistema de automação no processo de produção de etanol – estudo de caso / Georges Roger Rousselet. --Campinas, SP: [s.n.], 2011. Orientador: Flávio Vasconcelos da Silva.
Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.
1. Alcool. 2. Etanol. 3. Automação. 4. Controle de Processos. I. Silva, Flávio Vasconcelos da. II.
Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título.
Título em Inglês: Analysis of automation system evolution in a ethanol production process - a case study
Palavras-chave em Inglês: Alcohol, Ethanol, Automation, Process Control Área de concentração: Sistemas de Processos Químicos e Informática Titulação: Doutor em Engenharia Química
Banca examinadora: Rosemary Aparecida de Carvalho, Luiz Carlos Bertevello, Liliane Maria Ferrareso Lona, Ana Maria Frattini Fileti
Data da defesa: 08/06/2011
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Dedicatória
À minha esposa Yvone, à minha falecida mãe Yvonne, aos meus filhos Monique, Denise e Roger, i. e. à toda minha família, que não esmoreceu durante os anos em que ficamos enfurnados em usina. Especialmente, para a minha filha Monique, médica do CAISM, cujo apoio permitiu o meu retorno aos estudos.
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“Não existe ciência aplicada. Existe somente aplicação da ciência”
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AGRADECIMENTOS
Ao meu sapientíssimo orientador professor Dr. Flávio Vasconcelos da Silva e, pelo apoio dos professores Dr. José Vicente Hallak d’Angelo, Dra. Elisabete Jordão, Dra. Ana Maria Frattini Filati, Dr. Gil Eduardo Serra, Dr. Tamás Szmrecsányi, Dra. Maria Angela Fagnani e Dr. Ruben Bresaola Jr. ; na FEQ, na FEA, no IG, na FEAGRI e na FEC.
Aos mais atualizados jovens colegas da FEQ, por me aceitaram em seu convívio.
Aos mestres responsáveis pela minha formação superior em Fermentação e Destilação: Dr. Bernardo José Guimarães Mascarenhas, Dra. Hebe Helena Labarthe Martelli e Otto Rothe, PhD, na ENQ/UB; Dr. Jorge Horii, na ESALQ/USP; Benur Azevedo Girardi, PhD, no CEFET-RJ; e Dra. Teresa Massako Kakuta Ravagnani, na FEQ/UNICAMP.
Aos colegas externos aos Programas da UNICAMP, pelas valiosas explicações: Dr. Carlos Coelho de Carvalho Neto, na Natrontec Estudos e Engenharia de Processos; José Valdir Sartori, na Exal Brasil; Jaime Luiz Bassinello, da Usina Guaíra; Tales Rangel da Silva, da equipe Four Team; Florenal Zarpelon, na Reunion Engenharia; José Ruiz, da Consist Engenharia; e, Augusto Tinoco de Faria, de Machado Vianna S/A – Metalúrgica.
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HOMENAGEM PÓSTUMA
Aos saudosos companheiros da II Semana de Fermentação Alcoólica do Instituto Zimotécnico da USP (Piracicaba, 1961): Carlos Ebeling, então na Usina Açucareira Ester (SP); Mário Lopes de Resende Filho, do Engenho Central de Quissaman (RJ); Jayme Lacerda de Almeida, egresso da Destilaria Central Leonardo Truda (MG); e Romeu Bôto Dantas, professor da Esc. Sup. de Química da Universidade do Recife (PE).
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RESUMO
Nos anos da década de 80 ocorreu uma considerável expansão nos incentivos à produção de biocombustíveis, em especial o etanol, com o advento do Pró-Álcool. Esta expansão trouxe consigo a necessidade de se realizar diversos estudos relacionados à melhoria dos processos de produção. Para as usinas com destilarias anexas foi um benefício apreciável, já que se fabricava açúcar de alta qualidade, mandando-se para a destilaria além do melaço e de caldo misto das moendas, produtos intermediários da fabricação do açúcar como mel rico, mel pobre e caldo do filtro; sobrecarregava a fermentação, mas automação desembaraçava todo o sistema de produção do álcool. Entretanto, nas destilarias autônomas instaladas em regiões sem tradição canavieira, não havendo continuidade na disponibilidade de matéria prima, a automação era prejudicada. Na indústria sucroalcooleira, a teoria e a aplicação de controle têm uma inter-relação profunda com sistemas de informação e processos de fabricação. Todavia, chegou-se a um estágio em que o desenvolvimento de metodologia e análise matemática, com precisão, deste processo tornou-se tarefa árdua ou até impossível. Estas características ratificam a importância de um adequado dimensionamento e seleção de equipamentos e sistemas para condições de operação pré-definidas. Tendo em vista a importância da automação (instrumentação e controle) nestes sistemas, foram realizadas, neste trabalho, uma análise da evolução do sistema de automação no ramo sucroalcooleiro e a proposta de um sistema de automação que atenda às necessidades de manutenção das variáveis de processo visando uma maior eficiência na coleta de dados e análise das condições de operação. Com os resultados pretende-se abrir um canal de discussão amplo sobre a aplicação desta importante tecnologia.
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ABSTRACT
With the advent of the Pro-alcohol Program (Pró-Álcool) in the 1980s, considerable expansion of biofuel production incentives occurred, particularly those related to ethanol. This expansion led to a demand for various studies focused on improvement in production processes. It was highly beneficial for plants joined to the distilleries, since high-quality sugar was produced and intermediate products of the sugar manufacturing process such as rich molasses, poor molasses and filtered cane juice, in addition to molasses and mixed cane juice from the mills were delivered to the distillery. Furthermore, fermentation was saturated and ethanol production was maximized by automation. However, automation was damaged in the autonomous distilleries constructed in areas that were not traditional for sugarcane processing and when raw material is not continuously available. In the sugar and ethanol industry, the theory and application of control have a profound interrelation with information systems and manufacturing processes. Nevertheless, a stage was reached when the development of accurate methodology and mathematical analysis of this process became an arduous or even impossible task. These characteristics corroborate the importance of an adequate dimensioning and selection of equipment and systems for predetermined operating conditions. Owing to the importance of automation (instrumentation and control) of these systems, analysis of progress in the automation system in the sugar and ethanol field was performed in this study. Furthermore, an automation system that is capable of meeting requirements for maintenance of processing variables was also proposed to achieve a greater efficiency in data collection and analysis of operating conditions. With the results of the present study, a broad channel of discussion about the application of this important technology may be established.
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SUMÁRIO
RESUMO ... IX ABSTRACT ... X CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 - OBJETIVO ... 3 1.2 - DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ... 3CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5
2.1 - INTRODUÇÃO ... 5
2.2 – ASPECTOS DA INDÚSTRIA NACIONAL DE ETANOL ... 5
2.3 – SISTEMAS DE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA ... 14
Arquitetura Fieldbus ... 19
Aplicação da arquitetura fieldbus no setor produtivo ... 26
CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 28
3.1 – ANÁLISE DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL. ... 28
3.2 – PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO PARA O PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL ... 28
3.3 - ANÁLISE DA PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO ... 29
CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 30
4.1 – ANÁLISE DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL. ... 30
4.2 – PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO PARA O PROCESSO DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL ... 36
4.2.1 - Proposta de Diagramas Para o Processo de Produção de Açúcar e Etanol. ... 36
4.2.2 - Diagramas de Blocos (BFD) ... 37
4.2.3- Diagramas de Processo (PFD) ... 37
4.2.4 - Diagrama de Tubulação e Instrumentação (P&ID) ... 38
4.2.5 - Proposta de Aplicação de Tecnologia Fieldbus Para o Processo de Produção de Açúcar e Etanol. ... 42
4.2.6 - Aplicação de Sistemas Supervisórios no Processo de Produção de Açúcar e Etanol. ... 44
4.2.7 - Uso de Simuladores no Processo de Produção de Açúcar e Etanol. ... 46
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CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES ... 58
CAPÍTULO 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 60
GLOSSÁRIO ... 78
EPÍLOGO ... 81
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 - Esquema do desenvolvimento da tese. _____________________ 4 Figura 4.1 – Diagrama de Blocos de uma Planta de Produção de Açúcar e Etanol. _________________________________________________________ 39 Figura 4.2 – Diagrama de Processo de uma Planta de Produção de Açúcar e Etanol. _________________________________________________________ 40 Figura 4.3 – Diagrama de Processo de uma Planta de Produção de Açúcar e Etanol. _________________________________________________________ 41 Figura 4.4 – Arquitetura Fieldbus Proposta para um Processo de Produção de Açúcar e Etanol (http://www.smar.com). ___________________________ 42 Figura 4.5 – Simulador desenvolvido no Laboratório de Controle e
Automação de Processos da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp para o processo de fermentação alcoólica. ___________________________ 53 Figura 4.6 – Tela do Simulink para o Processo de Fermentação. _________ 54 Figura 4.7 – Gráficos gerados pelo Simulador do Processo de Fermentação. _______________________________________________________________ 55
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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
“The first rule of any technology used in a business is that automation applied to an efficient operation will increase the efficiency. The second is that automation applied to an inefficient operation will increase the inefficiency”
Bill Gates
Na década de 80, a automação na indústria sucroalcooleira expandiu-se entre nós, em plena época do Pró-Álcool. Para as usinas com destilarias anexas foi um benefício apreciável, já que se fabricava açúcar de alta qualidade, mandando-se para a destilaria além do melaço e de caldo misto das moendas, produtos intermediários da fabricação do açúcar como mel rico, mel pobre e caldo do filtro; sobrecarregava a fermentação, mas a automação desembaraçava todo o sistema de produção do álcool. Entretanto, nas destilarias autônomas instaladas em regiões sem tradição canavieira, não havendo continuidade na disponibilidade de matéria prima, a automação era prejudicada. A solução teria sido a aquisição de melaço para compensar as falhas na moagem, mas à primeira vista, não pareceu interessante.
Na indústria sucroalcooleira, a teoria e a aplicação de controle têm uma inter-relação profunda com sistemas de informação e processos de fabricação. Todavia, chegou-se a um estágio em que o desenvolvimento de metodologia e análise matemática, com precisão, deste processo tornou-se tarefa árdua ou até impossível.
Os fenômenos complexos multivariáveis fermentativos são completamente indiferentes às teorias de modelagem matemática, sendo freqüentemente observada a capacidade de um operador humano controlar satisfatoriamente diversos sistemas sem a compreensão matemática e física dos mesmos. Um
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operador, suficientemente treinado, é capaz de manipular variáveis de entrada que influenciam as saídas do processo. Essa realização fundamental levou a um novo enfoque na teoria de processos (complexos) industriais onde o conceito de “inteligência artificial”, através da emulação de características do comportamento humano no controle de processos surgiu como uma alternativa de controle e modelagem.
De uma forma geral, o desenvolvimento da automação industrial visava especificamente a manutenção da qualidade do produto final através da redução da variabilidade dos parâmetros dos processos. Com o desenvolvimento da tecnologia digital e com o predomínio absoluto da utilização de computadores nas atividades industriais pode-se atribuir uma maior abrangência de finalidades para o sistema de controle de processos, tais como: Segurança operacional, segurança ambiental, especificações de produção, restrições operacionais, aspectos econômicos e financeiros.
Analisando o panorama atual e partindo-se de uma base comum no ramo da automação industrial, pode-se distinguir três vertentes principais de soluções tecnológicas.
Uma das vertentes encontra-se ligada ao aumento da eficiência do processo produtivo através do investimento em estratégias de controle avançado para sistemas não lineares, auto-sintonia de controladores e aplicação de controladores inteligentes. A outra vertente está ligada à gerência das informações corporativas e de produção. E, por último, e não menos importante, a formação técnica experimentalista de engenheiros químicos e pós-graduandos na implementação e operação de sistemas automatizados.
A incorporação destas vertentes em um sistema único de informação, possibilitando a aquisição de dados de processo em tempo real e seu compartilhamento entre os diversos setores da indústria foi possibilitado pelo desenvolvimento de computadores velozes e menor custo, pela disponibilidade de modelos rigorosos, pelos avanços nos algoritmos de programação matemática,
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pela implementação de sistemas digitais de controle distribuído (SDCD) e sistemas em rede (“buses”).
A grande disponibilidade de informações provenientes do processo, conseqüentemente promoveu o desenvolvimento dos sistemas de supervisão e aquisição de dados, na tentativa de se garantir a confiabilidade dos dados obtidos.
1.1 - OBJETIVO
O objetivo geral desta tese de doutorado foi o desenvolvimento de uma análise crítica dos processos envolvidos na indústria sucroalcooleira, com um cuidadoso foco ao processo fermentativo, e a descrição das tecnologias de automação envolvidas no mesmo.
Considerando o objetivo geral da proposta, são traçados os seguintes objetivos específicos para o trabalho:
Analisar as etapas do processo de fabricação de açúcar e álcool; Propor uma automação pertinente ao processo com o objetivo de
melhor as atividades relacionadas.
1.2 - DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Como o objetivo de facilitar a compreensão da evolução das etapas realizados, construiu-se um fluxograma detalhado, apresentado na Figura 1.1, onde é mostrada a abordagem adotada para a realização do presente estudo.
Inicialmente foram estabelecidos os objetivos gerais do trabalho e, posteriormente, foi feito um levantamento de estado da arte envolvendo os processos e a automação na indústria sucroalcooleira.
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Figura 1.1 - Esquema do desenvolvimento da tese. DEFINIÇÃO DOS OBJETIVOS
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
ANÁLISE DO DESENVOLVIMENTO DO PROC. DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL
PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO PARA O PROC. DE PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ETANOL
ANÁLISES DA PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO
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CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - INTRODUÇÃO
“Em usina, agrônomo fazia-se de químico, químico fazia-se de mecânico e mecânico fazia-se de engenheiro civil”
(lavra própria)
O Livro de Referência para Açúcar e Álcool da SMAR, constitui um pormenorizado documento eletrônico sobre a automatização da atividade industrial sucroalcooleira a partir de cana-de-açúcar (SPONCHIADO, 2008).
A obra conhecida como “Spencer”, livro clássico sobre Química Açucareira, em sua atualizada 12ª edição dedica algumas páginas à fermentação do melaço, incluindo o emprego de reatores do tipo torre. A sua consulta também é válida quanto ao automatismo no controle analítico, sendo interessante o monitoramento do vapor condensado e das águas residuais, com análises por sistemas de injeção em fluxo (CHEN & CHOU, 1993).
2.2 – ASPECTOS DA INDÚSTRIA NACIONAL DE ETANOL
No País, a obtenção de etanol a partir de material sacarídeo está concentrada no emprego de melaço e de caldo da cana-de-açúcar como matérias primas, tendo havido pesquisas para se produzir também a partir de beterraba.
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No Mato Grosso pretendeu-se aproveitar sorgo sacarino para esse fim, mas não chegou a ser moído. A produção de álcool a partir do bagaço da cana constitui um processamento de material celulósico (BC International, 1998), estando ainda em fase de adaptação ( DIAS, 2008).
O uso de produtos amiláceos, como mandioca e polpa de babaçu, produz álcool de melhor qualidade, próprio para as indústrias farmacêutica e de bebidas. A partir da mandioca, os últimos empreendimentos havidos no Triângulo Mineiro e em Sinop (MT) foram abandonados devido ao baixo rendimento agrícola, como vem acontecendo desde longa data. Quanto ao aproveitamento do mesocarpo do babaçu para produção de álcool, funciona a contento anexo à uma instalação de extração do óleo em Tocantins (BARUQUE FILHO, 2000).
O melaço, subproduto da fabricação de açúcar, tanto da cana como da beterraba, é muito empregado para fins forrageiros; sendo que em Viçosa (MG), há uma usina que ensaca melaço em pó para esse fim.
Na fermentação lática industrial, o uso de melaço foi substituído por mosto sintético com açúcar cristal pela empresa Sínteses e Fermentações Ltda, (RJ), melhorando o rendimento em lactato de etila. Aliás, para a produção de ácido cítrico por fermentação, o açúcar também concorre com o melaço (SERRA, G. E. & ANDRIETTA, M. da G. S,, 1997). Já a fermentação aceto-butírica está sendo superada pela síntese de acetona a partir do álcool hidratado, devido à instabilidade do mercado de butanol. Dá ótimo resultado, o emprego de melaço como mastique (vide GLOSSÁRIO), na fundição de camisas de moendas.
Os principais carboidratos presentes no caldo e no melaço da cana são: sacarose, glicose ou dextrose e frutose ou levulose, analisados conjuntamente como açúcares redutores totais (ART), após inversão por acidificação; o melaço apresentando redutores infermentescíveis, formados no processamento do açúcar (MC DONALD, 1953). Sendo que atualmente estão havendo sérias pesquisas
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relativas à aplicação de enzimas isoladas na conversão de polissacarídeos complexos em açúcares fermentescíveis (BORGES, 2010).
No melaço de beterraba açucareira existe rafinose, um trissacarídeo não adoçante, que para produzir álcool requer uma variedade de levedura de baixa fermentação contendo α-galactosidase (HAEHN, 1956).
Geralmente na fabricação de álcool, os produtos da cana são fermentados por leveduras de alta, mas está se expandindo emprego de levedura floculante (VASCONCELOS, 2008).
Modus operandi
As destilarias de álcool podem ser autônomas ou anexas a usinas de açúcar. Trabalhando com melaço fornecido por usinas de açúcar que não fabricavam álcool, foram criadas pelo Instituto do Açúcar e do Álcool as autônomas Destilarias Centrais que produziam álcool anidro que era adicionado à gasolina importada, prática exercida até a Petrobrás refinar petróleo (NATALE NETO, 2005). Quando então, algumas cooperativas adotaram o processo de hidrosselação de álcool hidratado para produzir álcool fino, aproveitando a coluna de desidratação para remover os componentes indesejáveis do álcool retificado, exportando o produto (PATERSON et al., 1988).
Mais tarde, já na vigência do Pró-Álcool, foram instaladas várias destilarias autônomas com moendas próprias, fabricando álcool só com caldo extraído da cana. Hoje em dia, a escolha na fabricação de álcool hidratado ou anidro obedece às condições momentâneas do mercado. Mas álcool anidro, que desfruta de certa isenção de impostos, tem sido diluído e vendido como hidratado para os usuários, segundo os jornais.
Carlos Ebeling apresentou durante a IV Semana do Açúcar e Álcool, realizada de 22 a 27 de novembro de 1982 em Santa Bárbara d’Oeste, o trabalho
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“Circuitos de águas em destilarias autônomas”. Classificando, naquela ocasião, os sistemas de utilização das águas segundo as circunstâncias e pormenorizando 5 casos:
1. Circuito totalmente aberto;
2. Circuito totalmente fechado;
3. Circuito totalmente fechado, com aproveitamento de águas servidas;
4. Circuito semi-fechado;
5. Circuito semi-fechado, com aproveitamento de águas servidas.
Alegou que, teoricamente poderia se instalar uma destilaria autônoma na África, no meio do Saara.
Já quanto à qualidade da água, Paulo SERRA (1961,1962) apresentou na II e na III Semanas de Fermentação Alcoólica em Piracicaba, os parâmetros necessários para a fermentação de melaço e de caldo de cana, respectivamente.
A produção de álcool, tanto a partir do melaço residual da fabricação do açúcar como do caldo vindo da moenda, é praxe antiga no Brasil. Acrescentava-se cerca de 20% de álcool anidro à gasolina importada, que era bem mais barata do que o álcool. Visava-se somente a economia de divisas.
Também era polêmica a pretensão de que os países, que na época refinavam petróleo, substituíssem o chumbo tetraetila por álcool etílico anidro como agente antidetonante, adicionado à gasolina para automóveis (ARAUJO JR.,1937).
Atualmente com o advento do carro a álcool e depois o tipo “flex”, cresceu a demanda do álcool hidratado carburante, ou seja etanol. Quanto ao álcool
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anidro, a sua adição à gasolina, hoje mais cara devido aos conflitos no Oriente Médio, é incentivada pela política de proteção ambiental; sendo que no âmbito internacional sofre concorrência do MTBE (metil terc-butil eter), produzido a partir de derivados de petróleo, cujo emprego como aditivo à gasolina está proibido no Brasil (BACCARIN, 2005), em defesa da agroindústria sucroalcooleira nacional. .
Avançados estudos de laboratório sobre infecções causadas por várias linhagens de bactérias isoladas na fermentação industrial, chegaram a considerações interessantes sobre o seu combate e a perda de açúcar que acarretam (STROPPA et al., 1998). Entretanto não têm maiores dados sobre a infecção dextrânica, que pode tornar impraticável a produção quando se alastra.
No Brasil, quando se fabricava preferencialmente o típico açúcar cristal direto da cana, com sulfitação e trabalhando a um pH abaixo de 7 até o acerto final no “flash tank” antes da decantação, essa infecção nunca ultrapassava as moendas, onde era controlada por assepsia aplicada nas paradas semanais. Sem se tomar as necessárias precauções, sempre há o risco da formação da camada gelatinosa sobrenadante de polímeros de dextrana vulgarmente chamada por aqui de “canjica” (“tibico” pelos autores mexicanos, “gums” pelos americanos e “frais de grenouille” pelos franceses), gerada pela bactéria Leuconostoc Mesenteroides (ROSALES & FURLETTI, 1987). Isto pode interromper uma safra, como assistimos em 1971 na Usina da Barra (SP) produzindo açúcar demerara (vide Glossário), e também em 1989 na destilaria autônoma Alcomat (MT).
Se bem que tenha sido testado o aumento do tamanho dos toletes de cana como providência para redução do teor de dextrana (STUPIELLO, 2010), a tendência é a diminuição do comprimento para facilitar o transporte, segundo os especialistas do Centro de Tecnologia Canavieira em Piracicaba (BROD et al., 2009). Ainda bem que a cana não é mais lavada, conforme almejaram técnicos do Instituto Agronômico de Campinas (SILVA, 2008), pois o reaproveitamento da água de lavagem acarretava a reciclagem da infecção. Há consenso quanto ao
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emprego da enzima dextranase (Dextranax L) no combate à dextrana (RAVAGNANI, 2010).
O sistema Melle-Boinot de recuperação de levedura, teoricamente mantendo a concentração limite de células, data da década de 30 (USINES DE MELLE & F. BOINOT, 1935). O consórcio DDS – De Laval*, criador do sistema, teve problemas nas usinas que trabalhavam na fermentação com caldo misto direto da moenda, alem do melaço. Em nome do inventor Firmin Boinot, chegaram a patentear no Brasil, a remoção do nitrogênio orgânico do mosto. Entretanto o problema foi resolvido com a esterilização do caldo. Além das bactérias presentes, leveduras selvagens descontrolavam o processo (ANDRIETA, 1997). Na variante, isto é, no sistema Melle Boinot-Almeida para mosto só de caldo, 15% do vinho fermentado era deixado no fundo das dornas para receber as leveduras recicladas e não prescindia do uso de Emulsan AL, desinfetante constituído por pentaclorofenol e que posteriormente teve seu uso condenado pelo Conselho Federal de Química, ficando o pentaclorofenato conhecido como “pó da China”.
O melaço é estéril por natureza, enquanto que o caldo de cana por sua vez é sempre infecto. Como subproduto da fabricação do açúcar, a riqueza do melaço dependerá de vários fatores econômicos, comerciais, agrícolas e técnicos. Assim na referida Usina da Barra, apesar de estarmos num período de baixa cotação no mercado de álcool e mesmo com a elevada riqueza da cana, se trabalhava pelo sistema de duas massas cozidas ao invés do de três, mais aconselhável neste caso para melhorar o rendimento em açúcar. Mas o gigantismo das instalações já existentes, não permitiria qualquer maior empate de capital visando melhor aproveitamento da riqueza da cana. O tipo de açúcar fabricado influencia a qualidade do melaço, assim produzindo açúcar demerara este subproduto será mais pobre do que se fabricando açúcar cristal.
*DDS – De Laval: consórcio formado pelas empresas “Distillerie des Deux-Sèvres” francesa, e a sueca De Laval, fabricante das centrífugas.
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A cristalização do açúcar é facilitada com a presença de açúcares redutores e diminuída pela de sais minerais (VALSECHI & DE OLIVEIRA, 1963); os íons alcalinos monovalentes sendo considerados melassigênicos.
Na fabricação de açúcar, para complementar o teor em P2O5 do caldo
para a sua clarificação, usa-se fosfato de sódio cristalizado (Na3PO4.12H2O),
apesar de ter somente 19% de P2O5, enquanto que o ácido fosfórico industrial
possui mais de 50%; diminuindo o emprego de cal melhora o problema das incrustações criadas pelo Ca++ na evaporação e nos vácuos.
Entretanto, consta que o Na+ acumulado no melaço, pode prejudicar o rendimento da sua fermentação (AMORIM, 1980). Contudo, um trabalho apresentado pela Tailândia em recente congresso da ISSCT (“International Society of Sugar Cane Technologists”), evidenciou que o teor de cálcio inibe a ação da invertase na conversão da sacarose em glicose e frutose (ZARPELON, 2010). Aliás, já havíamos notado esse fenômeno em destilarias autônomas, devido à cal empregada tratando a água de lavagem da cana.. O melaço de um modo geral, apesar de ser excelente substrato para a fermentação alcoólica pela sua riqueza em açúcares totais, nunca prescinde uma complementação em elementos nutritivos para a levedura (FURLETTI, 1987). O seu marcante efeito tampão, aumenta o consumo de ácido sulfúrico para se alcançar o pH desejado.
Também interessante é o problema da decomposição espumosa que pode ocorrer de forma espontânea em melaço estocado (TRIVETT, 1954). Atribui-se ao mau hábito de se aquecer o melaço na saída das turbinas para facilitar o trabalho das bombas, quando o correto seria esfriá-lo. Pois estas decomposições com desprendimentos gasosos são decorrentes de altas temperaturas no armazenamento do melaço (FURLETTI, 1987).
Dos componentes orgânicos do melaço, o ácido lático constitui o mais prejudicial à fermentação alcoólica (TOSETTO, 2008). O uso de formol no decantador, como preservativo do caldo nas paradas prolongadas, é
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desaconselhado, pois pode depois aparecer no melaço, prejudicando a sua fermentação. O emprego de pentaclorofenol para este fim dava ótimo resultado.
Considerando que bactérias dos gêneros Bacillus e Lactobacillus são os microrganismos que normalmente contaminam a fermentação alcoólica, uma equipe formada por pesquisadores da USP, estudou o efeito da radiação gama na redução da sua população em mosto de caldo de cana-de-açúcar (ALCARDE et al., 2003). Tendo sido constatada a eficiência do tratamento, se conclui que será com mais razão, adequado para o emprego em mostos de melaço ou mesmo mistos.
Segundo Rousselet (1961), a fabricação de álcool direto a partir da cana nas usinas sucroalcooleiras tem a vantagem de regularizar o desempenho das moendas e das caldeiras, que não sofrerão influência de falhas comuns na fabricação de açúcar, como na clarificação e na evaporação do caldo (“paradas por cheio”).
As liquidações da fabricação de açúcar são facilitadas havendo concomitante “moagem para álcool”, mantendo um regime de trabalho regular nas caldeiras e na filtração com bagacilho. Entretanto, a prática de se mandar o caldo primário do primeiro terno de moendas para a fabricação de açúcar e o secundário do segundo terno com o retorno dos subseqüentes, para a destilaria, dificulta o controle de um modo geral e o caldo primário precisava ser diluído para facilitar a sua decantação, enquanto que o secundário tenha de ser reforçado com melaço, para não descontrolar a destilação.
Como a composição do melaço varia de acordo com o açúcar fabricado, alem de outros fatores naturais, a cana tendo também suas variações, o preparo do mosto misto de caldo e melaço, torna-se um tanto complicado. Emprega-se uma fórmula empírica, que é aplicada em fermentação por batelada alimentada. O material fermentando na dorna trabalhando com um grau Brix de “b” (vide
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GLOSSÁRIO), alimenta-se com mosto com 2(b-1). Por exemplo, para se manter 11° Brix na dorna, alimenta-se com mosto de 20° Brix.
Já para fermentações contínuas é uma questão de automatização desta prática. Quando se inoculam células de levedura no substrato, após uma fase de adaptação, há um crescimento celular até a concentração atingir uma constante denominada “número de Brown”, estacionando o crescimento com um equilíbrio entre o número de células que nascem e o número das que morrem, até que depois vai diminuindo com o esgotamento dos nutrientes até o final da fermentação (ARAÚJO, 1980).
Nos sistemas com reciclagem de levedura prolonga-se esta fase de equilíbrio, sendo sensível a etapa inicial de adaptação e crescimento. Assim, ao se alimentar a fermentação com caldo, o emprego de biocidas na saída nas moendas deve ser cauteloso, para não prejudicar a fermentação.
Segundo alguns autores, além da qualidade do levedo, vários fatores contribuem para a formação excessiva de espuma durante a fermentação, como o emprego de melaço, a presença de bactérias e compostos minerais, inclusive a técnica da distribuição do mosto (LOPES, 2005). Entretanto, normalmente quando se trabalhava com melaço puro ou com até 25% do caldo misto da moenda, conseguia-se manter a fermentação relativamente tranquila fazendo-se a correção da tensão superficial do mosto com o uso de óleo sulfuricinado preparado na destilaria.
Já na época do Pró-Álcool, passou-se a empregar produtos comerciais anti-espumantes de forma contínua e depois, com as destilarias autônomas, também “desespumantes” aplicados nos levedos separados por centrifugação ou por decantação. Mas com caldo cru, a turbulência pode se tornar incontrolável. A automação do combate do excesso de espuma é feita através de sensores controlando a adição das substâncias corretivas (MARÇAL, 2009). Este controle é aprimorado com o emprego de um dosador de anti-espumante com sistema
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pneumático, que eletronicamente ajusta a ejeção da solução do produto. Com o controle do processo de fermentação obtém certa estabilidade da temperatura e na turbulência do mosto na dorna, com consequente redução da espuma gerada e, portanto diminuição drástica do uso de anti-espumante e dispersante (ALVES, 2010).
Se bem que as restrições havidas quanto a extração de caldo da cana-de-açúcar por intermédio de difusores se concernem ao seu emprego na fabricação de açúcar (PROCKNOR, (1980), em destilarias autônomas este processo não se propagou. Talvez devido a que várias delas tenham sido na realidade, projetadas prevendo a possibilidade de fabricar açúcar e álcool.
A COPERSUCAR elaborou quatro tipos de tratamento para o caldo mandado para a destilaria, cujos esquemas estão anexos (OLIVEIRA, (1982). No primeiro não há esterilização, o segundo é o normalmente empregado, no terceiro há um sistema de recuperação de calor e, no quarto se prevê uma decantação rápida com uso de coagulantes e filtração do material decantado, que contem nutrientes que deverão ser comprados para compensar a perda. Havendo neste caso, menor formação de óleo fusel, devido à disponibilidade de fontes de nitrogênio melhor assimiláveis que as de origem orgânica, sem acarretar a formação do subproduto.
2.3 – SISTEMAS DE FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
Abaixo, estão relacionados processos de fermentação para a produção de álcool, encontrados na literatura especializada e empregados no Brasil:
1. Pé de Cuba (MARTELLI, 1958);
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3. Sistema Melle-Boinot (ALMEIDA, J. Lacerda de, 1960);
4. Processo Melle-Boinot-Almeida (ALMEIDA, J. Rocha de, 1960);
5. Fermentação Contínua (BORZANI, 1960);
6. Tipo A. Mattos (RASOVSKY, 1979);
7. Biostil (SARTORI, 1982);
8. Fermentador tipo torre (SILVA, 1985);
9. Reator contínuo com leveduras floculantes* (BUENO NETTO, 1985);
10. Copersucar (FINGUERUT, 1985);
11. Inter-Hude* (BETHIOL, 1985);
12. Acoplagem a membrana de filtração (MAIA, 1986);
13. Fermentação alcoólica por bactéria (SERZEDELO, 1987);
14. Processo Reflux (PINTO, 1990);
15. Método Nordeste* (NUNES, 1991);
16. Alcomat* (FARIA, 1999);
17. Processo Andrietta-Stupiello (STUPIELLO, 2003);
18. Sistema Vogelbusch (AMORIM, 2005);
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20. Sistema Zanifloc* (AMORIM, 2005);
21. Processo Engenho Novo - Fercen (AMORIM, 2005);
22. Contínuo com levedura selecionada em reator torre* (ANDRIETTA, 2007);
23. Fermentação extrativa (ATALA, 2009).
Toda e qualquer operação industrial ao passar a trabalhar de forma continua, visa eliminar gargalos e aumentar a produtividade. Entretanto o controle de qualidade e quantidade precisa ser rápido e seguro. O que na maioria das vezes só é obtido pela automação. Quanto aos parâmetros a estabelecer, isto dependerá das condições de trabalho. Assim, em destilarias autônomas empregando exclusivamente caldo de cana, geralmente a riqueza o vinho não passa de 8% v/v em álcool. Já nas destilarias anexas a usinas de açúcar é exigida uma concentração de 10% (v/v) pelo menos, para se obter alta produtividade de álcool (USHIMA, 1987). RIBEIRO (2003) apresentou na Universidade de Ribeirão Preto os anexos fluxogramas de instrumentação, sobre a automação na fermentação contínua e por batelada.
Fermentação Contínua de Múltiplos Estágios - tipos de reatores:
PFR (“Plug Flow Reactor”) – reator tubular, trabalhando pressionado e no qual há variação da concentração de substrato, de células e de produto ao longo de sua extensão.
CSTR (“Continuos Stired Tank Reactor”) – reator de mistura, ou seja dorna com agitação contínua, tendo a mesma concentração de substrato, células e produto em qualquer ponto do mosto em fermentação.
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Esses reatores são empregados nas reações catalíticas, o que inclui as fermentações que são exotérmicas e requerem contínuo resfriamento. A temperatura normalmente ficando entre 29º e 31º C. Entretanto conforme as condições climáticas, pode ser necessário um certo aquecimento na fase inicial de desenvolvimento celular. Sendo que em outros lugares há dificuldade em manter a fermentação numa temperatura adequada, devido a da água de resfriamento estar relativamente quente.
ANDRIETTA (1991), utilizando o modelo de Monod para o estudo da otimização dos processos com os dois tipos de reatores, concluiu que o tubular requer menos tempo que o de mistura, se bem que não sejam indicados para processos fermentativos, devido ao desprendimento gasoso. Daí o emprego de vários reatores de mistura em série, formando sucessivos estágios.
O Centro de Tecnologia da Copersucar (CTC), hoje Centro de Tecnologia Canavieira, instalou sistemas de fermentação contínua em múltiplos estágios, com três a quatro dornas em série tendo saída por fundo cônico e o resfriamento sendo realizado por bateria de trocadores externos (FINGUERUT et al., 1992).
Atualmente os processos de fermentação contínua com alta produtividade, operando em sistemas de no mínimo quatro estágios e com alimentação de mosto e fermento somente na primeira dorna (ANDRIETTA, 1997).
Os pesquisadores MAUGERI & ATALA (2005) em entrevista ao Jornal da Unicamp, destacaram a produção de vinho na fermentação extrativa com até 50o GL, um verdadeiro flegma. O problema agora está na destilação, porque o esgotamento do vinho e a retificação passará a ser uma única operação, vinhaça passando a ser flegmaça. Na destilação, havendo mais interesses em jogo, é mais complexo passar da fase de laboratório para a industrial. Porém, existirão acertos que acabarão sendo efetuados e teremos uma nova era no setor.
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O professor Jayme Rocha de Almeida da ESALQ, afirmava em seu livro de cunho didático “Álcool e Destilaria”, haver uma tendência de se obter raças de leveduras que trabalhassem regularmente em mosto de alta concentração (ALMEIDA, 1940). Já as atuais pesquisas de Daniel Ibrahim Pires ATALA (2000) a respeito da fermentação alcoólica com alta densidade celular, evidenciam a viabilidade desta condição. Ademais, recentemente NOLASCO JR. (2010) desenvolveu seu “processo térmico” na classe das fermentações VHG (“very high gravity”), com alta concentração de açúcares e densidade nos mostos.
Na indústria de bebidas são de grande importância as fermentações secundárias, responsáveis pelos sabores característicos. Em enologia devido à complexidade do processo, pesquisadores se baseiam em modelo de lógica difusa em conjunto com as técnicas de otimização numérica, para o controle preditivo da fermentação (sic), i. e. controles PI e PID (IGREJAS, 2008).
No seu programa integrado a Pentagro alem das características ações preditivas para a eficiência da fermentação, aplica a lógica Fuzzy no controle de nível das dornas, da pressão de vapor e do “set-point” da vazão de vinho, garantindo o trabalho normal de sua destilação (PENTAGRO, 2010).
Zanni (1980) apresentou avançado estudo sobre a automação na indústria sucroalcooleira. No que se refere ao controle da moagem e da fermentação, estão anexas as ilustrações correspondentes.
Resta citar 3 publicações a respeito de leveduras floculantes e floculadas, relacionadas na RESENHA BIBLIOGRÁFICA: uma de autoria de STROPPA et al. (200_) sobre leveduras selecionadas em reator tipo torre em unidade de fermentação alcoólica, outra de CUNHA et al. (2006) sobre pesquisa de levedura floculante condicional e a de OLIVA NETO (2008) estudando a ação dos agentes indutores da floculação de leveduras na fermentação alcoólica.
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Arquitetura Fieldbus
Os padrões de transmissão de sinais utilizados inicialmente em sistemas de controle eram baseados na codificação dos sinais de pressão que normalmente possuíam valores entre 3 e 15 psi. A tecnologia pneumática foi amplamente utilizada porém gradativamente substituída pelo padrão de transmissão em corrente, 4-20 mA, não eliminando a característica analógica e o caráter unidirecional dos sinais de transmissão. Com o advento do protocolo HART (“Highway Addressabie Remote Transducer”), que sobrepõe informação digital sobre os sinais analógicos, tentou-se ampliar a funcionalidade do padrão 4-20 mA para acomodar fluxo bidirecional de dados e os chamados dispositivos inteligentes, porém a aceitação destas soluções foi limitada.
A transição para sistemas totalmente digitais se tornou indispensável frente às necessidades tecnológicas do desenvolvimento do controle de processo moderno. O sucesso limitado dos sistemas híbridos revelou as reais características que uma nova arquitetura deveria possuir para alcançar uma aceitação amplamente difundida: a capacidade de substituição completa do padrão 4-20 mA, desenvolvimento de padrões abertos para a garantia de interoperabilidade total entre dispositivos de fabricantes diferentes e garantia de funcionalidade estável equivalente à do padrão 4-20 mA.
A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos, principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação onde são requeridos, além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento destes equipamentos à unidade central de controle.
De forma a minimizar estes custos e aumentar a operabilidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nos custos de instalação, procedimentos de manutenção, opções de ”upgrades” e informação de controle de qualidade.
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A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução para os seus problemas. Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede. Uma vez diante de um processo de escolha e devido à importância estratégica, faz-se necessário conhecer os principais elementos que caracterizam as redes de comunicação industriais, de forma a compor um critério de seleção que conduza a uma escolha consciente, baseada em conceitos fundamentais para o sucesso do empreendimento (FUERTES et al., 1999, RODD et al., 1998).
Classificam-se as redes quanto ao tipo de equipamento e os dados que ela transporta (SMAR,1998):
Sensorbus - de característica determinística e tempos de resposta extremamente curtos, dedicada a atender às necessidades de comunicação no nível dos sensores e atuadores, predominantemente de natureza discreta e dados no formato de bits.
Devicebus - com perfil determinístico e alta performance orientada para distribuição dos dispositivos de controle e seus periféricos com íntima relação com unidades centrais de processamento, a transmissão dos dados ocorrem no formato de bytes.
Fieldbus - dotada de estruturas de dados mais completas e alto desempenho aplicado na comunicação entre dispositivos inteligentes em processo contínuo no formato de pacotes de mensagens.
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Databus - com a capacidade de manipular grandes quantidades de informações em tempo não crítico destinada ao domínio da informática industrial.
Com o objetivo de desenvolver um padrão que atendesse a todas as expectativas acima, em outubro de 1994 dois dos maiores consórcios que trabalhavam em propostas similares, ISPF e WorldFIP, se fundiram em uma única organização, a Fieldbus Foundation. Baseada em padrões ISA e IEC, e suportada por mais de cem grandes companhias, a arquitetura Foundation Fieldbus se mostra a alternativa com maior potencial de realmente substituir o padrão 4-20 mA.
Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de controle e monitoração de processo e estações de operação através de softwares supervisórios (SMAR,1998; THOMESSE, 1999).
A comunicação fieldbus apresenta algumas vantagens como substituto aos padrões de comunicação estabelecidos, são elas:
lnteroperabilidade: definida como a capacidade de operação em conjunto de diversos dispositivos sem comprometimento da funcionalidade. Garantindo a coexistência de equipamentos de diversos fabricantes na mesma planta e a compatibilidade entre as comunicações. Tal característica representa vantagens tanto para o usuário, que não fica dedicado a um fornecedor específico, quanto aos fabricantes, que não precisam desviar recursos no desenvolvimento de protocolos proprietários ou linhas de produtos completas.
Menores custos de instalação: redução no custo de fiação, instalação e operação, simplicidade de projeto e implementação de várias funções em software são fatores que determinam redução de custos iniciais com a utilização de
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tecnologia fieldbus. A informação imediata sobre diagnósticos de falhas nos equipamentos de campo facilita as operações de “start up”.
Menores custos de manutenção: devido à disponibilidade da informação em tempo real de forma bidirecional, as operações de diagnóstico de falhas, manutenção preventiva e calibração de instrumentos são extremamente facilitadas. Alem disso, todos os dados de operação disponíveis podem ser utilizados para procedimentos de otimização global ou para auditoria e documentação, caso exigido por agências de regulamentação.
Desempenho: a distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo, dispensando equipamentos dedicados ao controle confere aumentos de desempenho e confiabilidade. A possibilidade de se implementar estratégias de controle sofisticadas de forma simples, utilizando a capacidade combinada de poucos dispositivos físicos e funções em software, proporciona a coordenação de operações para maximizar a eficiência do sistema (SMAR,1998; THOMESSE,1999).
É intencional, com a substituição do 4-20 mA analógico, uma oferta de benefícios, inclusive a habilidade de migração dos dispositivos já existentes neste padrão para o padrão fieldbus. Para isto, inclui-se suporte para várias opções, como energização de dispositivos pelo barramento, segurança intrínseca e interface com DCS (sistema de controle distribuído). A tecnologia fieldbus pode aproveitar diretamente a fiação instalada para dispositivos no padrão 4-20 mA. O processo de “upgrade” de uma planta pode inclusive ser feito, refinando os recursos já existentes, segmento a segmento ou mesmo dispositivo a dispositivo, com a disponibilidade de interfaces adequadas.
A interoperabilidade é um dos pontos fundamentais da arquitetura fieldbus. Testes de interoperabilidade entre dispositivos são administrados pela Fundação de Fieldbus em seu laboratório independente em Austin, Texas. Portanto, é necessário descrever dois aspectos da especificação que provêem
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essa capacidade: os blocos de função e a descrição de dispositivos. Syncrude Canada Ltd. recentemente realizou testes de interoperabilidade verificando que a operação em conjunto de dispositivos de campo e sistemas de controle de fabricantes diversos era possível (VERHAPPEN, 2000).
Para garantir a interoperabilidade entre os equipamentos fieldbus é de extrema importância a padronização de blocos funcionais. Os blocos definem uma interface comum para entradas, saídas, alarmes, eventos e algoritmos. Como dispositivos semelhantes incluem os mesmos tipos de blocos, a padronização evita divergências estruturais entre equipamentos de diferentes fabricantes. A padronização não impede a diversificação de recursos entre os fabricantes uma vez que a implementação dos algoritmos nos blocos é livre, porém a interoperabilidade é mantida.
Blocos funcionais como entradas e saídas analógicas e digitais, controladores PI, PID e razão, bias e ganho foram criados com o objetivo de proporcionar ao sistema de controle distribuído a possibilidade de se dedicar às funções de mais alto nível, como otimização.
A arquitetura fieldbus inclui duas funções principais, interconexão e aplicação. lnterconexão diz respeito à passagem de dados entre dispositivos, sejam estes de campo, consoles de operação ou configuração. A parte do padrão que endereça essa funcionalidade é o protocolo de comunicações. Aplicação diz respeito ao desenvolvimento de sistemas de controle e automação.
A arquitetura de interconexão fieldbus é baseada em um subconjunto de três das sete camadas propostas no modelo de referência OSI proposto pela ISO. Tanto o modelo OSI quanto seu gerenciamento foram desenvolvidos utilizando-se a técnica de programação orientada por objetos (“Object Oriented Programming” - OOP), característica essa que também se reflete no padrão fieldbus. O conceito de modelagem orientada por objetos torna possível decompor sistemas complexos em hierarquias de entidades funcionais de muito mais fácil tratamento.
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O modelo de referência OSI é um padrão internacional para o desenvolvimento de arquiteturas de rede como sistemas abertos, em contraste com arquiteturas e protocolos proprietários. Todos os aspectos funcionais de um sistema de telecomunicações, em todos os níveis, foram considerados.
As camadas 3 a 6 não foram incluídas no padrão fieldbus, principalmente devido à falta de necessidade de conexões inter-redes; as funções pertinentes dessas camadas foram absorvidas principalmente pela camada de aplicação. Tal simplificação permite que o protocolo fieldbus seja rápido e eficiente, mesmo quando implementado em dispositivos com capacidade de processamento limitada (FUERTES et al., 1999).
Uma breve descrição das camadas restantes, conforme implementadas na arquitetura fieldbus se seque:
Camada Física (1): interface com o meio físico. Responsável pela transformação do fluxo de bits em sinais adequados para transmissão através do meio. Define ainda questões como número de nodos suportados e de comprimento máximo por segmento de rede, bem como o fornecimento de energia aos dispositivos alimentados pelo barramento, no caso do fieldbus.
Camada de Enlace (2): transferência de dados entre os nodos da rede. Responsável pelo estabelecimento, manutenção e encerramento de conexões, pelo controle de fluxo e de erro, e pelo controle de acesso ao meio. No padrão fieldbus, inclui ainda a responsabilidade pelo endereçamento (no padrão OSI, função da camada de rede).
Camada de Aplicação (7): suporte ao sistema distribuído, oferecendo serviços locais e de comunicações. O padrão define formatos de mensagem e serviços disponíveis (BIEGACKI & Van GOMPEL, 1996).
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No que concerne ao usuário final, o interesse está basicamente na conexão física dos dispositivos e no desenvolvimento de aplicações. A camada física está completamente definida no padrão e embora possa sofrer extensões para, por exemplo, suportar novos meios físicos como rádio, não está sujeita a sofrer modificações. No que diz respeito às aplicações, ainda há algumas pequenas diferenças entre as diversas implementações propostas pelos fabricantes. Em termos de utilização prática, porém, os usuários não necessitam se preocupar com eventuais modificações nas camadas de aplicação e enlace, e na gerência de rede; tais desenvolvimentos devem ser absorvidos pelos fabricantes de equipamentos e de ferramentas de software.
Conforme a descrição acima, o padrão fieldbus implementa apenas as camadas 1, 2 e 7 do modelo de referência OSI. O suporte à aplicação é fornecido pelos blocos de função.
A necessidade de desempenho equivalente ao de sistemas 4-20 mA demanda altas velocidades de transmissão e conseqüentemente um consumo de potência mais alto, o que pode entrar em conflito com os requerimentos de segurança intrínseca em aplicações com tal conceito. Assim, duas opções de velocidade foram previstas no padrão fieldbus: uma, moderadamente alta, mas ainda capaz de atender os requisitos de segurança intrínseca (H1), e outra, com performance ainda maior (H2).
Dentro do padrão fieldbus foram previstas várias opções de meio físico, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Em um barramento, todos os dispositivos devem utilizar as mesmas opções de meio, conexão e taxa de transmissão. No entanto, dispositivos energizados pelo barramento ou não, ou ainda dispositivos com segurança intrínseca ou não podem coexistir em um mesmo barramento.
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Aplicação da arquitetura fieldbus no setor produtivo
Para criar um ambiente produtivo completamente automatizado é necessário promover interligações entre os dispositivos de campo e os computadores que promovem o controle das atividades, supervisionam os dados do processo e corrigem eventuais falhas de produção. Em busca destas características, cientistas e projetistas procuram desenvolver arquiteturas de redes capazes de integrar sistemas compatíveis e promover conectividade e flexibilidade entre hardwares e softwares (FUERTES et al., 1999).
BIEGACKI & VanGOMPEL (1996) descrevem a aplicação da arquitetura DeviceNet (baseada na tecnologia CAN-“Controller Area Network”) em substituição à estrutura convencional de automação existente em uma linha de embalagem em Rhode Island (EUA). Foi observado um menor custo de instalação, um melhor desempenho do sistema de controle e uma melhor adaptação às mudanças exigidas pelo mercado.
Na tentativa de se reduzir custos na conversão de sistemas convencionais de pequeno porte em sistemas fieldbus, ŠVÉDA & VRBA (1999) propuseram um desenvolvimento de conectividade de sensores-atuadores binários com o sistema fieldbus ASI, padrão alemão.
MOORE & WONG (2000) apresentam a necessidade do desenvolvimento de dispositivos pneumáticos inteligentes, devido aos avanços na tecnologia fieldbus e à crescente necessidade de fornecimento de dados em tempo real.
A importância da comunicação em tempo real é evidenciada por LIVANI et al. (1999) quando atribuem ao sistema CAN bus vantagens quanto à robustez, múltiplo acesso de informações e indicação de erros e falhas.
Assumindo-se a viabilidade técnica do sistema fieldbus é necessário obter informações quanto a seus aspectos financeiros. Para isto VERHAPPEN (2000)
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desenvolveu um estudo de viabilidade econômica analisando comparativamente os custos envolvidos no desenvolvimento de três diferentes sistemas de automação e controle: sistema convencional analógico, sistema híbrido HART e sistema fieldbus – “Foundation Fieldbus””. Apesar de um maior custo inicial, os sistemas HART e fieldbus são mais econômicos que o sistema convencional. O sistema fieldbus apresenta uma vantagem extremamente competitiva por se tratar de um sistema completamente digital e possuir um mercado em plena expansão, o que permite uma previsão de redução dos custos de seus dispositivos.
Por se tratar de uma tecnologia relativamente recente, observar-se uma predominância de artigos tipicamente descritivos, tratando do padrão em si e seus potenciais, mas ainda poucos tratando de aplicações em casos concretos.
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Capítulo 3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 – ANÁLISE DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO
DE AÇÚCAR E ETANOL.
Nesta etapa foi realizada uma análise detalhada do processo de produção de açúcar e etanol.
A análise foi baseada na descrição dos processos tradicionalmente aplicados nas usinas. Uma abordagem histórica foi realizada considerando os aspectos técnicos tradicionalmente aplicados no processo.
Foram evidenciadas, nesta etapa do trabalho, as principais modificações observadas nos processos produtivos das usinas.
3.2 – PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO PARA O PROCESSO DE PRODUÇÃO DE
AÇÚCAR E ETANOL
O estudo e a aplicação do conhecimento adquirido na etapa inicial do projeto aliados ao conhecimento especialista permitiu o desenvolvimento de uma proposta de automação moderna para o processo de produção de açúcar e etanol.
Inicialmente, construiu-se os diagramas importantes do processo:
Diagrama de blocos;
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Diagrama de Tubulação e Instrumentação.
Após a proposta dos diagramas foi estudada a aplicação de sistemas supervisórios no processo de produção de açúcar e álcool e a utilização do sistema de automação baseada em redes (Fieldbus).
Outra vertente, bastante promissora na área, é a aplicação de simulação para a análise do processo e a aplicação em treinamento de operadores.
Assim, apresenta-se um simulador utilizado no Laboratório de Controle e Automação de Processos (LCAP) aplicado ao processo de fermentação.
3.3 - ANÁLISE DA PROPOSTA DE AUTOMAÇÃO
Foi realizada uma análise da proposta de automação baseado na verificação da tecnologia envolvida e na análise das metodologias de trabalho utilizadas na área sucroalcooleira.
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CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 – ANÁLISE DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO
DE AÇÚCAR E ETANOL.
A partir da década de 50, no Brasil foram importantes as seguintes modificações nos principais setores das usinas de açúcar e álcool:
Transporte da cana - Passou progressivamente de vias férreas, operando na rede pública e em linhas próprias, além de veículos de tração animal, para carretas puxadas por tratores, caminhões e finalmente, veículos pesados construídos especialmente para esse fim. Adapta-se às condições do terreno e às variações da topografia local.
Qualidade da cana recebida - Melhor controle com a amostragem e pagamento pelo teor de sacarose. Entretanto vem sendo prejudicada devido ao desenvolvimento da mecanização agrícola e ao aproveitamento da palha.
Limpeza da cana - Sendo desnecessária no início, desenvolveu-se com a lavagem em mesas alimentadoras de 45°, consumindo até 10 m3 de água por tonelada de cana. Agora, quando muito se resume a uma “lavagem a seco“.
Preparo da cana - A adaptação de um tipo de “Shredder” (moinho de martelos) para desfibrar a cana sem acarretar uma solução de continuidade na esteira alimentadora, permitiu sensível melhora da extração de sacarose nas moendas.
Moagem – Primeiro foi eliminado o antigo “quebrador” de dois rolos que iniciava a operação da moagem antes do primeiro terno de moendas, evitando embuchamentos de cana. Com o emprego de vapor superaquecido ao invés de saturado, o acionamento deixou de ser efetuado com máquinas a vapor com
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distribuição tipo Corliss ou pistões, que foram substituídas por turbinas de contra-pressão, também empregadas na geração de energia elétrica, movimentando os dínamos. Estas turbinas recebendo vapor de alta pressão desenvolvem energia mecânica e fornecem vapor servido ou escape de reduzida pressão, empregado para aquecimento na fabricação de açúcar e álcool. Além do mais, hoje em dia cada terno de moenda tem um “chute Donnelly” (vide Glossário) na entrada da cana e todo caldo que retorna para embeber a moeda anterior é peneirado por uma peneira de barras.
Geração de vapor- As caldeiras atualmente, trabalhando com vapor de até 100 bar (atmosferas) estão equipadas com desaerador para a água de alimentação, pré-aquecedor de ar e às vezes, também secador de bagaço. Com a terra que acompanha a cana e depois o bagaço, o material particulado nos gases de combustão é um problema.
Tratamento do caldo – A substituição dos arcaicos filtros-prensa pelos filtros rotativos a vácuo, trouxe um problema que só foi resolvido mais recentemente, pois o filtrado do lodo dos decantadores de caldo ficou bastante impuro. O emprego de polieletrólitos como auxiliares na clarificação do caldo de cana tem tido certo efeito, mas sem resolver a situação, principalmente para a produção de açúcar cristal de boa qualidade, sem prejudicar o rendimento. A solução veio com a flotação a quente do caldo filtrado, também com o auxílio de um polímero específico. A última palavra sendo uma prensa desaguadora, que filtra o lodo diretamente da saída do decantador, substituindo o filtro rotativo que requer bagacilho como auxiliar de filtração. Já no tratamento do caldo para a fermentação está se generalizando a sua decantação de forma mais rápida e adição de nutrientes sintéticos. A prática de desarenar o caldo saindo da moenda por decantação em tanques circulares tem risco de uma infecção dextrânica.
Evaporação – O sistema em quádruplo ou quíntuplo-efeito passou para quíntuplo ou mesmo sêxtuplo-efeito, com a criação do apelidado “pré-evaporador”, um primeiro efeito avantajado, que aquece o caldo decantado com vapor escape
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das turbinas de acionamento das moendas e do turbo-gerador de corrente elétrica conforme visto acima, além de outras que possam existir no preparo da cana ou na alimentação das caldeiras. Fornece vapor “vegetal” à evaporação propriamente dita, aos aquecedores de caldo, aos tachos de cozimento (vácuos) e à destilação. Normalmente as caixas dos evaporadores são de feixe de tubos com fluxo ascendentes, mas há tipos com fluxo descendente e também com placas ao invés de tubos. Quanto ao material, primitivamente eram de cobre com espelhos de bronze, depois de aço carbono com tubos sem costura, passando a com costura e depois a tubos em aço inoxidável, que agora estão voltando à moda. O vácuo, antes gerado por condensador barométrico com bomba de ar, passou a ser obtido em gigantescas trompas d’água conhecidas como multijatos.
Vácuos- Assim são comumente chamados os vasos empregados para o preparo das massas cozidas, sendo onde se inicia a cristalização do açúcar, que termina nos “cristalizadores”. Trabalham numa pressão abaixo da atmosférica, indo até –27,5“ Hg (polegadas negativas de mercúrio, a 32° F), cerca de -0,9 atmosferas. Foi abandonado o sistema de uma instalação central gerando vazio para todos os aparelhos, empregando-se então instalações individuais. Assim cada vácuo tem o seu multijato. São caracterizados pela relação entre a superfície de aquecimento e o seu volume (s/v), o que limita a altura máxima acima da calandra. Aliás os vácuos antigos em que o aquecimento era efetuado por várias serpentinas, formando espirais inclinadas superpostas, eram muito úteis na operação de granagem, partindo de um nível baixo de xarope ou mel. Vário tipos de vácuos verticais de “calandria” (caixa tubular) foram utilizados entre nós. No modelo convencional, o diâmetro do corpo maior que o da caixa. No tipo Segura, de “calandra flutuante”, a caixa tubular fica separada das paredes externas, havendo uma passagem anelar por onde circulava o material em ebulição. Já o modelo Copersucar era do tipo vertical reto, tendo a caixa o mesmo diâmetro do corpo. Os do tipo Webre possuíam de uma a três hélices de duas pás circulando debaixo da calandra, acionadas por um motor no topo do aparelho. Como vácuos horizontais operando por bateladas tivemos o vácuo horizontal tubular Dedini e o
